MONITORAMENTO DA TEMPERATURA NA CARCAÇA DE UM MOTOR ELÉTRICO USANDO SENSORES DE BAIXO CUSTO

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1 MONITORAMENTO DA TEMPERATURA NA CARCAÇA DE UM MOTOR ELÉTRICO USANDO SENSORES DE BAIXO CUSTO Tiago Drummond Lopes [Voluntário], Alessandro Goedtel [Orientador], Demerval Mizuyama [Colaborador], Wanderley Ferreira Costa [Colaborador] Coordenação de Engenharia Elétrica Campus Cornélio Procópio Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Avenida Alberto Carazzai, 1640 Cornélio Procópio/PR, Brasil CEP tidrummond@gmail.com, agoedtel@utfpr.edu.br, mizuyama@utfpr.edu.br, wanderleyferreirac@yahoo.com.br Resumo - Este artigo apresenta uma metodologia para monitoramento de temperatura em máquinas elétricas em condições de alimentação senoidais através de uma rede de sensores de baixo custo, bem como a automação da aquisição de dados, proteção e acionamento do motor. Palavras-chave: Motor de indução trifásico; Detecção de falhas; Automação de aquisição de dados. Abstract - This paper shows a methodology for monitoring the temperature of electrical machines in sine supply conditions through low cost sensor network, as well as the data acquisition, motor drive and motor protection automation. Keywords: Three-phase induction motor; Fault detection; Automation data acquisition. INTRODUÇÃO Os elementos de conversão de energia elétrica em mecânica são indispensáveis nos processos produtivos das indústrias, neste caso o mais utilizado é o motor de indução trifásico, devido sua robustez, alto rendimento e facilidade de controle [1]. Os principais parâmetros desconsiderados na modelagem clássica do motor são a variação de temperatura, o comportamento não linear do circuito magnético e fontes de alimentação não senoidais. A temperatura do motor apresenta maior influência sobre os valores das resistências elétricas do estator e do rotor [2]. Este trabalho tem com objetivo apresentar uma estratégia de sensoriamento de temperatura na carcaça do motor, buscando identificar falhas no mesmo. O desenvolvimento de um algoritmo no software MatLab para a automação do acionamento e proteção da máquina, bem como aquisição, monitoramento em tempo real e armazenamento de dados. METODOLOGIA A metodologia empregada neste trabalho tem por base o monitoramento de temperatura na carcaça de uma máquina de indução trifásica. Utiliza-se uma placa de

2 condicionamento de sinais para a temperatura e uma placa para o acionamento do motor através da interface com uma placa de aquisição de dados em conjunto com o MatLab. O monitoramento da temperatura consiste em utilizar dezesseis sensores de temperatura inseridos aleatoriamente na carcaça do motor, os quais são ligados a uma placa de condicionamento de sinal, que recebe o endereçamento externo da placa de aquisição. Tais medidas servem para identificar falhas no motor através do sensoriamento da temperatura na carcaça deste. Placa de Acionamento. O acionamento do motor ocorre através de portas do PC, onde cargas de potência maiores que a suportada pelas portas são controladas. Faz-se então necessário o desenvolvimento de uma pequena placa baseada em sistema opto acoplado (4N25), o qual isola o sistema de acionamento do PC. Placa de aquisição de dados. Para comunicação entre o software MatLab (PC) e a placa de proteção, para acionar e adquirir dados do motor, foi utilizada a placa de aquisição de dados produzida pela National Instruments, denominada NI USB Sua escolha foi realizada mediante pesquisas e cotações junto a National Instruments Brasil e após constatação de que esta possuía os requisitos necessários e suficientes para a realização experimental do projeto. Esta placa é um dispositivo simples e de baixo custo para interfaceamento Entrada/Saída de sinais em relação ao PC. Conectada via cabo USB, pode-se realizar tarefas de enviar e ler tensões elétricas nos terminais da placa através do software MatLab. A Figura 1 apresenta a estrutura de ensaios desenvolvida neste trabalho. Figura 1. Estrutura de ensaios.

3 Algoritmo do MatLab. Com o intuito de automatizar a aquisição de dados, foi desenvolvido um algoritmo no software MatLab que realizasse automaticamente diversas tarefas como: acionamento do motor, proteção do mesmo através do monitoramento de temperatura, endereçamento dos sensores, aquisição e armazenamento de dados, monitoramento da temperatura em tempo real, apresentação ao usuário importantes informações e exportação dos dados registrados. O processo descrito acima é realizado num primeiro instante para registrar os dados de aquecimento da máquina e posteriormente repetido para a etapa de resfriamento da mesma. O motor é acionado após o algoritmo ser executado. Para realizar esta tarefa foi utilizada uma porta digital da NI USB-6009, que escreve um sinal alto (+5 V) na entrada da placa de proteção e atraca o relé, permitindo então a passagem de corrente para acionar o contator, o qual alimenta o motor partindo-o em partida direta. A fim de evitar danos ao motor por excesso de temperatura no seu interior, o algoritmo foi programado para manter a alimentação apenas se a temperatura em sua carcaça for inferior à máxima programada, caso esse limite seja ultrapassado o motor é desligado imediatamente e a aquisição de dados se encerra instantaneamente. Dessa forma o equipamento não corre riscos de ser danificado por sobretemperatura e a proposta do trabalho atua na proteção da máquina. O endereçamento é realizado pela NI USB-6009 com código binário de quatro bits (DCBA) tendo como bit mais significativo o D. Ela escreve sinal alto (+5 V) ou sinal baixo (0 V), representados respectivamente pelo número um (1) e zero (0). O código é escrito diretamente no multiplexador, que seleciona e direciona o canal de cada sensor para a saída. A placa de aquisição NI USB-6009 recebe o sinal de cada sensor da placa de condicionamento de sinal por uma única entrada analógica, comunicando-se com o PC via cabo USB transmite os dados adquiridos. Estas informações são recebidas e interpretadas pelo software MatLab, que armazena sistematicamente as temperaturas registradas em uma matriz que possuirá, em todas as rotinas, dezesseis colunas e x linhas. Desse modo x poderá ser qualquer número inteiro positivo determinado pelas condições de proteção do motor, pois a aquisição é encerrada apenas quando a temperatura máxima é excedida ou no momento em que se torna constante. O código desenvolvido proporciona a opção de escolha de um sensor para ter sua temperatura monitorada instantaneamente, pois é traçado um gráfico em tempo real das temperaturas registradas pelo sensor escolhido que se encontra alocado na carcaça do motor. O gráfico é atualizado simultaneamente com a aquisição de dados, mostrando em seu eixo vertical as temperaturas da máquina e em seu eixo horizontal o respectivo número da amostra. Ao final da aquisição de dados o usuário é informado pelo algoritmo de algumas informações importantes, entre elas: Causa do encerramento da aquisição; o algoritmo exibe as seguintes mensagens: ATENÇÃO!!! Temperatura máxima ultrapassada!, quando a aquisição se interrompe por excesso de temperatura na carcaça da máquina, ou ATENÇÃO!!! Temperatura constante!, no caso de não haver mudanças significativas de temperaturas. Quantidade de amostras; é exibido o número exato de amostras registradas por sensor. Medidas de tempo; o tempo total de amostragem e tempo médio de amostragem por sensor é exibido. Após a conclusão da aquisição de aquecimento do motor e apresentação das informações citadas acima, imediatamente o algoritmo exporta a matriz gerada no software MatLab para o diretório escolhido pelo usuário, em forma de tabela e salva no formato.xls, possibilitando a visualização dos dados no software Excel.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados que serão apresentados a seguir foram gerados em rotinas de aquisição de dados no Laboratório de Controle e Automação de Sistemas do Centro Integrado de Pesquisa em Controle e Automação na Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Campus Cornélio Procópio. A aquisição de dados de aquecimento do motor foi interrompida após quarenta e dois minutos e vinte e nove segundos, pois a temperatura havia se estabilizado não havendo mudança significativa. Foram registradas onze mil quatrocentas e vinte e seis amostras por sensor em um tempo médio de aproximadamente catorze milésimos de segundos entre amostras consecutivas. O algoritmo realizou a amostragem com um tempo médio de duzentos e vinte e três milésimos de segundo para registrar as respectivas temperaturas dos dezesseis sensores. Realizando-se a aquisição manualmente, seria proibitivo alcançar tal taxa de amostragem. Ainda tem-se a possibilidade de ocorrência de erros nas rotinas de aquisição mais demoradas. Recordando que o motor foi alimentado em condições normais, ou seja, com equilíbrio de tensão e que a temperatura do ambiente manteve-se ao redor de vinte e seis graus Celsius. Com os dados registrados e armazenados foi possível traçar a curva de aquecimento do motor para cada sensor. As curvas da Figura 2 e Figura 3 possuem no eixo vertical as temperaturas registradas pelos sensores e no eixo horizontal o número da respectiva amostra. A curva apresentada na Figura 2, a qual foi traçada com as temperaturas registradas pelo sensor sete, possui comportamento próximo de uma função exponencial crescente o que caracteriza um sistema linear de 1ª ordem. Partindo de vinte e seis graus Celsius, temperatura ambiente, e indicando as temperaturas mais críticas na carcaça do motor durante toda rotina de aquisição, ao final desta as temperaturas aferidas pelo referido sensor se aproximam de cinquenta e sete graus Celsius. Figura 2. Curva do sensor sete. Pode-se observar na Figura 3 a curva, a qual foi traçada com os dados adquiridos pelo sensor dez. Observa-se que as temperaturas no sensor referido partiram das proximidades de

5 vinte e cinco graus Celsius, temperatura ambiente, e estabilizaram-se em trinta e seis graus Celsius. Figura 3. Curva do sensor dez. Dentre as dezesseis curvas geradas após a rotina de aquisição de dados foram escolhidas duas para serem explanadas neste trabalho, as do sensor sete e dez, apresentadas na Figura 2 e Figura 3 respectivamente. A presença delas se faz indiscutível perante análise e comparação realisada entre todas. A primeira exibe as mais críticas temperaturas registradas na carcaça da máquina, em contra partida, a segunda expõe as mais baixas. Tal abrupta divergência se dá justamente pela distinta localização dos referidos sensores no entorno do motor. A localização estratégica dos dezesseis sensores foi analisada cuidadosamente com as curvas geradas logo após termino da rotina de aquisição. Esta análise é de extrema importância, visto que, o objetivo é encontrar o melhor local para monitorar a temperatura na carcaça do motor. O monitoramento deve ser realizado na posição que demonstre as temperaturas mais semelhantes àquelas no interior da máquina. O sensor dez é inserido na carcaça da máquina entre duas aletas centrais, as quais além de dirigirem o fluxo de ar gerado pela ventoinha, também facilitam a troca de calor com o ambiente. Muito próximo à ventoinha este sensor recebe um fluxo de ar intenso resfriando-o. Já o sensor sete encontra-se em uma situação oposta, alocado na parte superior e interna da caixa de ligação. Esta desvia as correntes de ar provenientes da ventoinha ao seu redor e, desta forma, além de não possuir a dissipação de calor referente as aletas, o referido sensor não é exposto ao deslocamento de ar. O sensor sete mostrou-se o de melhor localização na carcaça do motor, tendo em vista que a curva de temperatura gerada pelo mesmo, apresentado na Figura 2, é a que mais se aproxima das características da dinâmica de temperaturas interna da máquina. CONCLUSÕES Os resultados apresentados estão de acordo com as expectativas, principalmente em sua aplicação, pois uma tarefa considerada árdua se tornou um tanto quanto simples com o desenvolvimento do projeto. A aquisição de dados foi realizada de forma automática, prática e eficaz.

6 A taxa de amostragem de aproximadamente quatro temperaturas em todos os dezesseis sensores em um segundo representa de forma satisfatória a dinâmica de temperatura do motor, a qual é considerada lenta. O trabalho demonstrou a aplicabilidade do sistema no monitoramento de temperatura na carcaça do motor. Em situações de falha o mesmo pode ser utilizado como proteção, pois as falhas normalmente implicam na elevação de temperatura da carcaça da máquina. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o suporte financeiro, processo nº /2008-5, nº / e nº / recebidos do CNPq e processo nº 06/ recebido da Fundação Araucária. REFERÊNCIAS [1] SUETAKE, Marcelo. Implementação de Sistemas Inteligentes em Processadores Digitais para Controle de Máquinas Elétricas Rotativas. Dissertação de mestrado, São Carlos, SP, [2] SOUSA, Kleiton de Morais. Validação de Modelo Térmico e Elétrico de Motor de Indução Empregando Redes de Bragg em Fibra Ótica. Dissertação de mestrado, Pato Branco, PR, [3] OLIVEIRA, José Eduardo., Modelagem de um Motor de Indução Trifásico Operando com Tensões Desequilibradas. Dissertação de Mestrado, Bauru, SP, [4] FITZGERALD, A. E., Umans, Stephen D.; Kingsley Jr, Charles. Máquinas Elétricas com Introdução À Eletrônica de Potência - 6ª Ed [5] DATASHEET NI USB-6009 NATIONAL INSTRUMENTS < Acesso em: 03 jun